Modellierung und Mehrzonentemperaturregelung von Rapid-thermal-processing-(RTP)-Anlagen

In dieser Arbeit wird die Modellbildung und die Mehrzonenregelung von Kaltwand-RTP-Anlagen mit Strahlungsheizung eines rotierenden Wafers durch Stablampen beschrieben. In RTP-Anlagen werden Wafer durch Strahlenexposition einem Temperatur-Zeit-Profil unterzogen. Der technische Erfolg wird durch die Temperaturhomogenität bestimmt. Ausgehend von den physikalischen Grundgleichungen werden die Wärmetransportmechanismen innerhalb der RTP-Kammer modelliert. Der Wärmetransport erfolgt vorwiegend über Wärmestrahlung. Bei der Modellbildung wurden die verwendeten Halogen-Stablampen, die Kammerwände, die Quarzteile innerhalb der Prozesskammer, die Rotation des Wafers und die spektralen Eigenschaften der am Strahlungsaustausch beteiligten Komponenten berücksichtigt. Die Strahlungsverteilung der zu Gruppen zusammengefassten Lampen auf die Waferzonen wird mit Hilfe eines Ray-Tracing-Verfahrens ermittelt. Die Kopplung des Wafers an die Strahlung der Lampen hängt von der Dotierungskonzentration, dem Schichtaufbau des Wafers und den Temperaturen der Lampenglühwendeln und des Wafers ab. Die Parameter der Kopplung werden waferspezifisch ermittelt. Um die Temperaturhomogenität zu beurteilen, wird der Wafer in konzentrische Zonen eingeteilt. Das Modell beschreibt die Temperaturverläufe der Waferzonen. Die Validierung des Modells erfolgt durch Vergleich mit gemessenen Daten und zeigt eine gute Übereinstimmung. Das entworfene Modell wird für die Validierung von Regelungskonzepten zur Mehrzonenregelung von RTP-Anlagen verwendet und für den Regelungsentwurf linearisiert. Eine Mehrzonenregelung wird mit der gleichen Anzahl von Lampengruppen und Waferzonen realisiert, wobei jeder Waferzone die Lampengruppe mit der dominanten Strahlungskopplung zugeordnet wird. Die Regelung wird mit einer modellbasierten Steuerung kombiniert. Diese modellbasierte Steuerung verwendet das zustandsgeregelte nichtlineare Modell der Strecke mit einem mehrfachen Ausgangsregelkreis. Die Stellgröße des geregelten Modells wird als Vorsteuergröße der Regelstrecke verwendet. Eine zusätzliche Ausgangsregelung gleicht Vorsteuerfehler aus, die sich durch Modellungenauigkeiten und Störgrößeneinflüsse ergeben. Um die gewünschten Ecken des Temperatur-Zeit-Profils möglichst scharf ausfahren zu können, wird der Sollwert für den Modellregelkreis nach einem hierfür entwickelten Verfahren an den gewünschten Temperatur-Zeit-Verlauf angepasst. Mit Hilfe dieses Regelungskonzepts werden die regelungstechnischen Anforderungen der ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) erfüllt.